空穴线性Rashba自旋轨道耦合效应的增强方法

    专利查询2024-06-11  5


    空穴线性rashba自旋轨道耦合效应的增强方法
    技术领域
    1.本发明涉及半导体技术领域,具体地,涉及一种兼容微电子cmos工艺的半导体锗量子阱的制备方法,旨在在现有工艺基础上提升量子阱自旋轨道耦合强度,推动半导体量子计算的发展。


    背景技术:

    2.近年来,空穴的自旋轨道耦合效应成为了半导体量子计算的关键热点问题。尤其对于深度兼容微电子cmos工艺的锗而言,空穴相对于电子具有零核自旋散射、长退相干时间、强自旋轨道耦合效应、快速自旋操控、不受能谷简并和能谷散射影响和不需要微磁结构提供梯度磁场的可电控性等诸多优势。自旋轨道耦合效应可以分为rashba效应和dresselhaus效应,前者由低维体系界面导致的势对称性破缺引起且可以通过外电场进行调控,后者由材料体态本征的原子化学势不对称引起。最新的研究表明,锗量子阱中存在一阶线性rashba自旋轨道耦合效应,该效应是驱动自旋量子比特快速翻转的主要来源。因此,如何提高锗量子阱的空穴线性rashba强度成为了一个重要问题。
    3.尽管最近的研究表明,锗量子阱空穴线性rashba效应能够被量子阱生长方向所调控且在[110]方向能够得到最大值,然而现今成熟的微电子cmos工艺能够生长的是[001]方向量子阱。该量子阱的势垒材料由硅锗合金组成,其中硅的组分为10%至50%之间。采用硅锗合金作为势垒材料,一方面可以提供量子束缚效应来限制空穴,另一方面可以消除或减弱锗与硅之间的晶格失配,提高样品质量。考虑到微电子工艺的现实可行性,提高线性rashba强度的问题可以进一步细化为,如何基于现有成熟的微电子工艺改造锗量子阱从而提升rashba强度。
    [0004]
    虽然锗量子阱的线性rashba效应在量子计算中扮演着关键角色,但迄今为止,实验上并未成功探测到该效应,其主要原因有两个:一方面,实验制备的锗量子阱空穴浓度较高,使费米动量偏离布里渊区中心较远,而线性效应在布里渊区中心附近才能明显显现;另一方面,目前制备的锗量子阱结构产生的线性rashba效应不够强烈,这严重限制了半导体量子计算的发展。


    技术实现要素:

    [0005]
    本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
    [0006]
    本发明的目的在于提供一种用于实现兼容微电子cmos工艺的半导体锗量子阱界面增强的空穴线性rashba自旋轨道耦合强度的方案,以解决实验上无法测量到量子阱空穴线性rashba效应和进一步提高栅控量子点空穴自旋量子比特操控速度的问题。
    [0007]
    本技术的一方面实施例提出一种空穴线性rashba自旋轨道耦合效应的增强方法,包括:
    [0008]
    提供衬底;
    [0009]
    在所述衬底之上形成锗量子阱,其中,所述锗量子阱的势阱与势垒的界面处形成
    有硅原子层,其中,所述硅原子层包括一个或多个单原子层。
    [0010]
    在一些实施例中,在所述衬底之上形成锗量子阱,包括:
    [0011]
    在所述衬底之上形成第一合金层;
    [0012]
    在所述第一合金层之上形成第一硅原子层,其中,所述第一硅原子层包括一个或多个单原子层;
    [0013]
    在所述第一硅原子层之上形成锗层;
    [0014]
    在所述锗层之上形成第二硅原子层,其中,所述第二硅原子层包括一个或多个单原子层;
    [0015]
    在所述第二硅原子层之上形成第二合金层。
    [0016]
    在一些实施例中,在所述衬底之上形成锗量子阱,包括:
    [0017]
    在所述衬底之上形成第一硅锗超晶格,其中,所述第一硅锗超晶格中包括一个或多个硅的单原子层;
    [0018]
    在所述第一硅锗超晶格之上形成锗层;
    [0019]
    在所述锗层之上形成第二硅锗超晶格,其中,所述第二硅锗超晶格中包括一个或多个硅的单原子层。
    [0020]
    在一些实施例中,还包括:
    [0021]
    在所述锗量子阱之上形成介电层;
    [0022]
    在所述介电层之上形成电极。
    [0023]
    在一些实施例中,所述衬底为硅衬底。
    [0024]
    在一些实施例中,所述锗层厚度为10纳米至20纳米。
    [0025]
    在一些实施例中,所述第一合金层为第一硅锗合金层,第二合金层为第二硅锗合金层,每个硅锗合金层中硅的组分在10%至50%之间,每个硅锗合金层的厚度均为几十纳米。
    [0026]
    在一些实施例中,所述第一硅原子层和第二硅原子层的厚度均为1至4个单原子层。
    [0027]
    在一些实施例中,所述第一硅锗超晶格和第二硅锗超晶格的厚度均为几十纳米,其中硅或锗的单原子层数均为1-4层。
    [0028]
    在一些实施例中,所述介电层的介电材料为sio2或al2o3,所述介电层的厚度为十几纳米到几十纳米之间。
    [0029]
    在一些实施例中,所述电极为金属电极,所述金属电极的材料为al或au,所述电极的厚度尺寸在几十纳米量级。
    [0030]
    在一些实施例中,所述锗量子阱中的锗、硅材料的体相均为具有正四面体共价键的晶体结构。
    [0031]
    在一些实施例中,所述锗量子阱的空穴浓度达到10
    10
    cm-2
    量级,量子阱的迁移率达到105cm2/(v
    ·
    s)量级。
    [0032]
    本技术的另一方面实施例提出一种半导体结构,包括:衬底和在所述衬底之上形成的锗量子阱,其中,所述锗量子阱的势阱与势垒的界面处形成有硅原子层,其中,所述硅原子层包括一个或多个单原子层。
    [0033]
    在一些实施例中,所述锗量子阱包括自下而上依次形成的衬底、第一合金层、第一
    硅原子层、锗层、第二硅原子层、第二合金层、介电层和金属电极,其中,所述第一硅原子层和第二硅原子层均包括一个或多个单原子层。
    [0034]
    在一些实施例中,所述锗量子阱包括自下而上依次形成的衬底、第一硅锗超晶格、锗层、第二硅锗超晶格、介电层和金属电极,其中,所述第一硅锗超晶格和第二硅锗超晶格中均包括一个或多个硅的单原子层。
    [0035]
    在一些实施例中,所述衬底为硅衬底。
    [0036]
    在一些实施例中,所述第一合金层为第一硅锗合金层,第二合金层为第二硅锗合金层,每个硅锗合金层中硅的组分在10%至50%之间,每个硅锗合金层的厚度均为几十纳米。
    [0037]
    在一些实施例中,所述第一硅原子层和第二硅原子层的厚度均为1至4个单原子层。
    [0038]
    在一些实施例中,所述第一硅锗超晶格和第二硅锗超晶格的厚度均为几十纳米,其中硅或锗的单原子层数均为1-4层。
    [0039]
    在一些实施例中,所述锗量子阱中的锗、硅材料的体相均为具有正四面体共价键的晶体结构。
    [0040]
    本发明的有益效果为:
    [0041]
    1、本发明指出锗量子阱的硅锗合金势垒会显著降低空穴线性rashba自旋轨道耦合效应,提出通过在界面处插入一个或多个硅原子层能够将rashba强度提升一个数量级。
    [0042]
    2、本发明提出了界面工程及超晶格势垒的方法,解决了难以生长具有最大rashba效应的[110]方向锗量子阱的问题。
    [0043]
    3、本发明涉及的锗量子阱深度兼容现有的成熟微电子cmos工艺,有望用于进一步提升半导体量子点自旋量子比特的操控速率。
    [0044]
    本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
    附图说明
    [0045]
    本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,
    [0046]
    其中:
    [0047]
    图1为本发明实施例的锗量子阱的示意图;
    [0048]
    图2为本发明实施例的锗量子阱中空穴自旋劈裂大小与波矢的关系图,其中:
    [0049]
    图2a为不含硅原子层的锗量子阱中空穴自旋劈裂大小与波矢的关系图,
    [0050]
    图2b为含硅原子层的锗量子阱中空穴自旋劈裂大小与波矢的关系图;
    [0051]
    图3为本发明实施例的锗量子阱中相应的线性rashba参数与合金势垒中硅组分的变化关系及与界面硅原子层层数的变化关系图,其中:
    [0052]
    图3a为锗量子阱中相应的线性rashba参数与硅锗合金势垒中硅的组分的变化关系图,
    [0053]
    图3b为锗量子阱中相应的线性rashba参数与界面硅原子层层数的变化关系图;
    [0054]
    图4为本发明实施例的具有硅锗超晶格势垒的锗量子阱的结构示意图;
    [0055]
    图5为图4方案中线性rashba参数与硅锗超晶格中硅或锗的原子层数的关系图。
    [0056]
    附图标记:
    [0057]
    1-金属电极;2-介电层;3-第二硅锗合金层;4-第二硅原子层;5-锗层;6-第一硅原子层;7-第一硅锗合金层;8-硅衬底;9-第一硅锗超晶格;10-第二硅锗超晶格。
    具体实施方式
    [0058]
    下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
    [0059]
    鉴于背景技术中所阐述的缺点,本发明提供了一种深度兼容cmos工艺的利用锗量子阱界面增强空穴线性rashba自旋轨道耦合效应的方法,能够获得一个数量级rashba强度的提升。该方法将有助于量子计算中自旋量子比特的快速操控。
    [0060]
    锗、硅等iv组元素由于核自旋散射很弱,并且能够进一步通过同位素提纯技术降低核自旋的影响,具有较长的自旋退相干时间。锗的空穴在具有较强自旋轨道耦合效应的同时不受谷简并与谷散射的影响。另一方面,锗材料具有非常成熟的微电子工艺的积累。因此,锗量子阱的空穴体系成为了目前半导体量子计算的最热方向。目前,国际上已在锗量子阱的体系中实现四个量子比特的制备、操控与读取。值得注意的是,最新研究表明,锗量子阱的空穴线性rashba自旋轨道耦合效应能够驱动自旋量子比特的快速翻转。高品质的自旋量子比特要求快速的自旋操控速率,而提高自旋量子比特的操控速率,关键在于提高空穴线性rashba强度。
    [0061]
    本发明的核心思想在于通过在传统锗量子阱的势阱与势垒的界面处插入一个或多个硅原子层,改进量子阱结构设计,从而获得空穴rashba效应的大幅提升。使用第一性原理经验赝势方法计算具有不同组分硅锗合金势垒的锗量子阱的电子结构,发现线性rashba参数随着合金势垒中硅组分的减小而减小。对于目前实验上普遍采用的硅组分为20%的硅锗合金势垒,空穴线性rashba参数只有纯硅势垒rashba参数的约十分之一。通过在势阱与势垒的界面处插入一个或多个硅原子层,发现线性rashba参数能够提升到si
    0.2
    ge
    0.8
    合金势垒rashba参数的十倍左右,与纯硅势垒rashba参数相接近。
    [0062]
    此外,本发明还提供了一种更优方案,即将原本的硅锗合金势垒替换为硅锗超晶格势垒,该更优方案能够在界面工程方案的基础上将空穴线性rashba参数继续提升二至三倍。由于纯硅势垒的锗量子阱受到晶格失配的影响在真实情况下难以生长,本发明提出的界面工程提高量子阱空穴线性rashba效应的方案具有强烈的现实基础和重大的需求导向。
    [0063]
    本发明兼容现有成熟的微电子cmos工艺,提出了一种界面增强锗量子阱空穴线性rashba效应的方案,有利于利用该增强的rashba效应实现自旋量子比特的快速操控。
    [0064]
    为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明做进一步的详细说明。
    [0065]
    如图1所示,本技术的一方面实施例提出一种利用锗量子阱界面增强空穴线性rashba自旋轨道耦合效应的方法,涉及关键步骤:在锗量子阱的势阱与势垒的界面处插入一个或多个硅原子层,其中,硅原子层包括一个或多个单原子层。
    [0066]
    该量子阱的制备方法主要包括如下步骤:
    [0067]
    s1,在硅衬底8上生长第一硅锗合金层7,用来减小锗与硅的晶格失配,第一硅锗合
    金层7中硅的组分在10%至50%之间,第一硅锗合金层7的厚度约为几十纳米;
    [0068]
    s2,在第一硅锗合金层7之上外延或沉积生长第一硅原子层6,其中,第一硅原子层6包括1-4个单原子层;
    [0069]
    s3,在第一硅原子层6之上生长锗层5,锗层5厚度约为10纳米至20纳米;
    [0070]
    s4,在锗层5之上外延或沉积生长第二硅原子层4,其中,第二硅原子层4包括1-4个单原子层;
    [0071]
    s5,在第二硅原子层4之上生长第二硅锗合金层3,其中,第二硅锗合金层3中硅的组分在10%至50%之间,第二硅锗合金层3的厚度约为几十纳米;
    [0072]
    s6,在第二硅锗合金层3上生长介电层2,介电层2的介电材料可以为sio2或al2o3,介电层2的厚度为十几纳米到几十纳米之间;
    [0073]
    s7,在介电层2上制备金属电极1,金属电极1的材料可以为al或au,金属电极1的厚度尺寸在几十纳米量级。通过金属电极1施加的栅压来产生和调控rashba自旋轨道耦合效应。
    [0074]
    本发明实施例考虑的锗量子阱中锗层的厚度为16纳米,施加强度为30kv/cm的垂直电场,即在垂直于平面方向受到量子束缚效应,硅衬底作用在锗量子阱上的双轴压应变为0.6%。图2a和图2b为本发明实施例的锗量子阱中空穴自旋劈裂大小与波矢的关系图,图3a和图3b为本发明实施例的锗量子阱中相应的线性rashba参数与合金势垒中硅组分的变化关系及与界面硅原子层层数的变化关系图。图3a和图3b中得到的线性rashba参数αr可由图2a和图2b所示布里渊区中心邻近区域的重空穴自旋劈裂δe
    ss
    =2αrk
    ||
    得到,线性rashba参数的大小可以用来表征rashba效应的强弱。图2a与图3a描述了没有界面硅原子层的线性rashba效应。当合金势垒中硅的组分为20%时,线性rashba参数仅为0.21mev;当合金势垒中硅的组分为50%时,线性rashba参数为0.96mev;当合金势垒中硅的组分为80%时,线性rashba参数为1.36mev;对于纯硅势垒,线性rashba参数为2.01mev。图2a与图3a的计算结果表明,随着合金势垒中硅组分的增加,线性rashba参数逐渐增大。
    [0075]
    然而在真实情况下,为了减少硅与锗的晶格失配,合金势垒中硅的组分往往在10%至50%之间,通常为20%左右。本发明实施例考虑在si
    0.2
    ge
    0.8
    合金势垒的锗量子阱的界面处中插入一个或多个硅原子层,图2b和图3b为相应的自旋劈裂和线性rashba参数的结果,它们表明,插入1层、2层和4层硅原子层,得到的线性rashba参数可以分别达到1.75mev,2.06mev和2.07mev,接近于理想情况下纯硅势垒的线性rashba参数值而比没有在界面处插入硅原子层的锗量子阱的线性rashba参数大一个数量级。
    [0076]
    如图4所示,本发明在上述方案的基础上提出一种更优的方案,即使用硅锗超晶格势垒替代硅锗合金势垒,在锗势阱界面处仍然保证有一个或多个硅原子层。
    [0077]
    该量子阱的制备方法主要包括如下步骤:
    [0078]
    s1,在硅衬底8上外延或沉积生长第一硅锗超晶格9,第一硅锗超晶格(si)n/(ge)n中硅或锗的单原子层数n在1至4层之间,第一硅锗超晶格9的厚度约为几十纳米;
    [0079]
    s2,在第一硅锗超晶格9之上生长锗层5,锗层5的厚度约为10纳米至20纳米;
    [0080]
    s3,在锗层5之上外延或沉积生长第二硅锗超晶格10,其中,第二硅锗超晶格(si)n/(ge)n中硅或锗的单原子层数n在1至4层之间,第二硅锗超晶格10的厚度约为几十纳米;
    [0081]
    s4,在第二硅锗超晶格10上生长介电层2,介电层2的介电材料可以为sio2或al2o3,介电层2的厚度为十几纳米到几十纳米之间。
    [0082]
    s5,在介电层2上制备金属电极1,金属电极1的材料可以为al或au,金属电极1的厚度尺寸在几十纳米量级。通过金属电极1施加的栅压来产生和调控rashba自旋轨道耦合效应。
    [0083]
    本发明实施例考虑的锗量子阱中锗层的厚度为16纳米,施加强度为30kv/cm的垂直电场,即在垂直于平面方向受到量子束缚效应,硅衬底作用在锗量子阱上的双轴压应变为0.6%。图5为本发明的更优实施例相应的线性rashba参数与硅锗超晶格中硅或锗的原子层数的关系图。对于具有(si)1/(ge)1、(si)2/(ge)2、(si)4/(ge)4超晶格势垒的锗量子阱,相应的线性rashba参数分别为6.91mev,3.97mev和2.35mev,都比纯硅势垒的锗量子阱的线性rashba参数大,也比前述本发明实施例的界面-合金势垒体系的线性rashba参数大二至三倍。图5表明,随着硅锗超晶格中硅和锗的原子层数的增加,线性rashba参数减小。因此具有(si)1/(ge)1超晶格势垒的锗量子阱相比于没有目前普遍采用的界面硅原子层的si
    0.2
    ge
    0.8
    合金势垒的锗量子阱,其线性rashba效应提高了约30倍,可以获得最强线性rashba效应。
    [0084]
    基于锗量子阱制备的二维栅控锗量子点可以用来进行量子计算,其量子比特为量子点中空穴的最低能级上的自旋。自旋量子比特的操控速率与线性rashba效应成正比关系,因此本发明提供的锗量子阱界面增强线性rashba效应的方案将有助于进一步提升自旋量子比特的操控速率。
    [0085]
    综上,本发明提供了一种利用锗量子阱界面增强空穴线性rashba自旋轨道耦合效应的方法,该方法兼容cmos工艺,在传统锗量子阱结构的基础上在界面处插入了一个或多个硅原子层,能够获得一个数量级提升的空穴线性rashba自旋劈裂,并将有助于提升二维栅控锗量子点自旋比特的操控速率。
    [0086]
    在一些具体的实施例中,衬底不限于为硅衬底。
    [0087]
    在一些具体的实施例中,硅锗超晶格(si)n/(ge)n也可以是(ge)m/(si)n,即锗和硅的单原子层数不相同,m≠n,也可以获得相应效果,即只需要界面处有至少一层硅原子层就可以达到本发明所述的技术效果。
    [0088]
    在一些具体的实施例中,锗量子阱中的锗、硅材料的体相均为具有正四面体共价键的晶体结构。
    [0089]
    在一些具体的实施例中,硅原子层通过分子束外延法或气相沉积法生长于硅锗合金层上。
    [0090]
    在一些具体的实施例中,锗量子阱的空穴浓度达到10
    10
    cm-2
    量级,锗量子阱的迁移率达到105cm2/(v
    ·
    s)量级。
    [0091]
    本技术的另一方面实施例提出一种半导体结构,如图1所示,包括:硅衬底8和在硅衬底8之上形成的锗量子阱,其中,锗量子阱的势阱与势垒的界面处形成有硅原子层。具体包括:自下而上依次形成的硅衬底8、第一硅锗合金层7、第一硅原子层6、锗层5、第二硅原子层4、第二硅锗合金层3、介电层2和金属电极1。其中:第一硅原子层6和第二硅原子层4均包括1-4个单原子层。每个硅锗合金层中硅的组分在10%至50%之间,每个硅锗合金层的厚度均为几十纳米。锗量子阱中的锗、硅材料的体相均为具有正四面体共价键的晶体结构。锗层厚度为10纳米至20纳米。介电层的介电材料为sio2或al2o3,介电层的厚度为十几纳米到几
    十纳米之间。金属电极1的材料为al或au,金属电极1的厚度尺寸在几十纳米量级。
    [0092]
    还提出一种更优的半导体结构的方案,如图4所示,包括:自下而上依次形成的硅衬底8、第一硅锗超晶格9、锗层5、第二硅锗超晶格10、介电层2和金属电极1。第一硅锗超晶格9和第二硅锗超晶格10中均包括1-4个硅或锗的单原子层。第一硅锗超晶格9和第二硅锗超晶格10的厚度均为几十纳米。锗量子阱中的锗、硅材料的体相均为具有正四面体共价键的晶体结构。锗层5厚度为10纳米至20纳米。介电层2的介电材料为sio2或al2o3,介电层2的厚度为十几纳米到几十纳米之间。金属电极1的材料为al或au,金属电极1的厚度尺寸在几十纳米量级。
    [0093]
    在一些具体的实施例中,第一硅锗超晶格9和第二硅锗超晶格10中均至少包括1个硅的单原子层即可。
    [0094]
    在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
    [0095]
    此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
    [0096]
    在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接或彼此可通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
    [0097]
    在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
    [0098]
    在本发明中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
    [0099]
    尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

    技术特征:
    1.一种空穴线性rashba自旋轨道耦合效应的增强方法,其特征在于,包括:提供衬底;在所述衬底之上形成锗量子阱,其中,所述锗量子阱的势阱与势垒的界面处形成有硅原子层,其中,所述硅原子层包括一个或多个单原子层。2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述衬底之上形成锗量子阱,包括:在所述衬底之上形成第一合金层;在所述第一合金层之上形成第一硅原子层,其中,所述第一硅原子层包括一个或多个单原子层;在所述第一硅原子层之上形成锗层;在所述锗层之上形成第二硅原子层,其中,所述第二硅原子层包括一个或多个单原子层;在所述第二硅原子层之上形成第二合金层。3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述衬底之上形成锗量子阱,包括:在所述衬底之上形成第一硅锗超晶格,其中,所述第一硅锗超晶格中包括一个或多个硅的单原子层;在所述第一硅锗超晶格之上形成锗层;在所述锗层之上形成第二硅锗超晶格,其中,所述第二硅锗超晶格中包括一个或多个硅的单原子层。4.如权利要求2或3所述的方法,其特征在于,还包括:在所述锗量子阱之上形成介电层;在所述介电层之上形成电极。5.如权利要求1-4任一项所述的方法,其特征在于,所述衬底为硅衬底。6.如权利要求2或3所述的方法,其特征在于,所述锗层厚度为10纳米至20纳米。7.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述第一合金层为第一硅锗合金层,第二合金层为第二硅锗合金层,每个硅锗合金层中硅的组分在10%至50%之间,每个硅锗合金层的厚度均为几十纳米。8.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述第一硅原子层和第二硅原子层的厚度均为1至4个单原子层。9.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述第一硅锗超晶格和第二硅锗超晶格的厚度均为几十纳米,其中硅或锗的单原子层数均为1-4层。10.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述介电层的介电材料为sio2或al2o3,所述介电层的厚度为十几纳米到几十纳米之间。11.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述电极为金属电极,所述金属电极的材料为al或au,所述电极的厚度尺寸在几十纳米量级。12.如权利要求2或3所述的方法,其特征在于,所述锗量子阱中的锗、硅材料的体相均为具有正四面体共价键的晶体结构。13.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述锗量子阱的空穴浓度达到10
    10
    cm-2
    量级,锗量子阱的迁移率达到105cm2/(v
    ·
    s)量级。14.一种半导体结构,其特征在于,包括:
    衬底;在所述衬底之上形成的锗量子阱,其中,所述锗量子阱的势阱与势垒的界面处形成有硅原子层,其中,所述硅原子层包括一个或多个单原子层。15.如权利要求14所述的半导体结构,其特征在于,包括自下而上依次形成的衬底、第一合金层、第一硅原子层、锗层、第二硅原子层、第二合金层、介电层和金属电极,其中,所述第一硅原子层和第二硅原子层均包括一个或多个单原子层。16.如权利要求14所述的半导体结构,其特征在于,所述锗量子阱包括自下而上依次形成的衬底、第一硅锗超晶格、锗层、第二硅锗超晶格、介电层和金属电极,其中,所述第一硅锗超晶格和第二硅锗超晶格中均包括一个或多个硅的单原子层。17.如权利要求15或16所述的半导体结构,其特征在于,所述衬底为硅衬底。18.如权利要求15所述的半导体结构,其特征在于,所述第一合金层为第一硅锗合金层,第二合金层为第二硅锗合金层,每个硅锗合金层中硅的组分在10%至50%之间,每个硅锗合金层的厚度均为几十纳米。19.如权利要求15所述的半导体结构,其特征在于,所述第一硅原子层和第二硅原子层的厚度均为1至4个单原子层。20.如权利要求16所述的半导体结构,其特征在于,所述第一硅锗超晶格和第二硅锗超晶格的厚度均为几十纳米,其中硅或锗的单原子层数均为1-4层。21.如权利要求15或16所述的半导体结构,其特征在于,所述锗量子阱中的锗、硅材料的体相均为具有正四面体共价键的晶体结构。

    技术总结
    本发明提出一种空穴线性Rashba自旋轨道耦合效应的增强方法,该方法在传统锗量子阱结构的基础上在界面处插入了一个或多个硅原子层,能够获得一个数量级提升的空穴线性Rashba自旋劈裂。本发明还提供了一种超晶格势垒替代硅锗合金势垒构建锗量子阱的更优方案,该方案在界面量子阱方案的基础上能够继续提升几倍的空穴线性Rashba效应。本发明涉及的锗量子阱结构深度兼容CMOS工艺,获得一个数量级提升的空穴线性Rashba效应将为锗量子点自旋量子比特的快速操控提供全新的解决方案。特的快速操控提供全新的解决方案。特的快速操控提供全新的解决方案。


    技术研发人员:骆军委 熊嘉欣 刘洋 管闪 李树深
    受保护的技术使用者:中国科学院半导体研究所
    技术研发日:2022.01.28
    技术公布日:2022/5/25
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